MRI made easy (…well almost)

Hans H. Schild

Part 4

2022-03-27


몇 가지 사실들을 복습하자

지금까지 이런 것을 배웠다.

짧거나 긴 TR과 TE란 실제로 무엇인가?

짧은 TR은 대략 우리가 관심을 둘만한 가장 짧은 T1만큼 짧다(기억하라: T1은 시간 상수이지, 조직이 종단 자화를 회복하는 데 걸리는 시간이 아니다!). 긴 TR은 짧은 TR보다 대략 3배 더 길다.

500 msec 이하의 TR을 짧다고 하고, 1500 msec 이상의 TR을 길다고 한다(느낌이 대략 그렇다).

짧은 TE는 얼마든 짧을 수 있고, 긴 TE는 그보다 대략 3배 길다. 30 msec 이하의 TE를 짧다고 하고, 80 msec 이상의 TE를 길다고 한다.


스핀 에코 펄스 시퀀스를 다시 살펴보자.

이 시퀀스를 그림 38처럼 도식적으로 제시할 수 있다.

역주: 그림 38에서 상단의 하얀색 박스카는 RF 펄스이고 중간의 노란색 파형은 신호입니다. 그러나 신호의 타이밍이 정확하지 않습니다. 본 교재의 [앱 버전](https://apps.apple.com/us/app/mri-made-easy-well-almost/id1077847614)에 나오는 그림과 비교하기 바랍니다. 역주: 그림 38에서 상단의 하얀색 박스카는 RF 펄스이고 중간의 노란색 파형은 신호입니다. 그러나 신호의 타이밍이 정확하지 않습니다. 본 교재의 앱 버전에 나오는 그림과 비교하기 바랍니다.

그림 38. 스핀 에코 시퀀스의 도식

그림 38. 스핀 에코 시퀀스의 도식

90° 펄스 → TE/2 기다리기 → 180° 펄스 → TE/2 기다리기 → 신호 기록하기.

몇 가지 다른 이유로 인해, 이러한 펄스 시퀀스를 두 번 이상 반복한다. 펄스 시퀀스가 반복되는 시간이 TR이었다(‘time to repeat’). 따라서 우리는 다음과 같은 절차(scheme)를 얻는다.

  1. (90° → TE/2 → 180° → TE/2 → TE 시점에 신호 기록)
    TR(90° 펄스가 시작된 시점에서 다음 90° 펄스까지 걸린 시간)이 지나면 새로운 펄스 주기(cycle)와 신호 측정이 뒤따른다.

  2. (90° → TE/2 → 180° → TE/2 → TE 시점에 신호 기록)


스핀 에코 시퀀스에서 TR과 TE는 어떻게 영상의 대비에 영향을 끼칠까?

스핀 에코 시퀀스의 파라미터를 활용하여 얻을 수 있는 신호의 양을 파악하려면 그림 39에 나오는 것처럼 T1-곡선과 T2-곡선을 결합하기만 하면 된다. 그림 39에는 어떤 조직의 T1-곡선과 T2-곡선이 제시되어 있다.

그림 39. 한 조직의 T1-곡선과 T2-곡선을 연결하면 이 조직에서 스핀 에코 시퀀스로 얻게 될 신호강도를 알 수 있다.
TR 이후 종단 자화는 횡단 자화의 최초 크기와 같다. 종단 자화가 90° “기울어져” 횡단 자화가 되기 때문이다. 이 횡단 자화는 즉시 사라지기 시작하는데, 그 비율은 횡단 완화 시간 즉, T2-곡선에 의해 결정된다. TE 이후 조직의 신호 강도는 (TR 이후 시작된) TE 시점의 T2-곡선에서 읽어낼 수 있다.

그림 39. 한 조직의 T~1~-곡선과 T~2~-곡선을 연결하면 이 조직에서 스핀 에코 시퀀스로 얻게 될 신호강도를 알 수 있다. <br>TR 이후 종단 자화는 횡단 자화의 최초 크기와 같다. 종단 자화가 90° "기울어져" 횡단 자화가 되기 때문이다. 이 횡단 자화는 즉시 사라지기 시작하는데, 그 비율은 횡단 완화 시간 즉, T~2~-곡선에 의해 결정된다. TE 이후 조직의 신호 강도는 (TR 이후 시작된) TE 시점의 T~2~-곡선에서 읽어낼 수 있다.

어떤 파라미터가 종단 자화의 양을 결정할까?

답은 TR이다. 얼마나 많은 종단 자화가 90° 옆으로 기울어질지 알려면(그래서 우리가 처음에 얼마나 많은 횡단 자화를 가질지 알려면), TR 시점의 횡단 자화 강도를 보면 된다. 이 시점의 종단 자화는 횡단 면으로 “기울어지고”, 횡단 자화가 감쇄하는 출발점이 된다. 따라서 우리는 이 시점에 T2-곡선을 이어붙인다. 스핀 에코 시퀀스로 얻게 될 신호의 양은 TE 즉, 90° 펄스 이후에 기다리는 시간에도 의존한다. 그러므로, T2-곡선에서 TE 시점의 신호 강도를 보기만 하면 된다.

긴 TR과 짧은 TE를 고르면 어떤 영상을 얻게 될까?

이를 그림 40에 도해하였다. 서로 다른 두 조직의 T1-과 T2-곡선이 그려져 있다. 46쪽의 실험을 상기해보자. 그때, 우리는 90° 펄스를 주입하고 TR이 지나서 또 하나의 90° 펄스를 주입했다. 90° 펄스는 기존의 종단 자화를 횡단면으로 “기울여서” 횡단 자화를 만든다. 종단 자화가 클수록 90° 펄스 직후에 초기 횡단 자화가 더 강하다.

앞에서 읽었듯이, TR이 너무 길면 모든 조직에서 종단 자화가 완전히 회복된다. T1이 긴 조직조차도 완전히 이완될만큼 시간이 충분하면, 조직간 T1 차이가 신호에 영향을 끼치지 못한다.

그림 40. 그림 39에서 설명한 바와 같이, 어떤 조직의 T1-과 T2-곡선을 연결하면 특정한 TR와 TE로 구성된 펄스 시퀀스에서 얻을 수 있는 신호 강도를 알 수 있다. 이 그림에서처럼 긴 TR을 선택하면 무슨 일이 생길까? TR이 길면, 종단 자화 시간에서 T1의 차이가 중요하지 않게 된다. 모든 조직에서 종단 자화가 완료되기 때문이다. 그런 다음, TE가 매우 짧으면 T2 차이가 발생할 시간이 부족하므로 신호 강도의 차이도 드러나지 않는다. 그 결과로 얻게되는 영상은 T1-가중이나 T2-가중 신호가 아니라, 조직 내 양성자 밀도를 반영한다(양성자 밀도 영상에 이상적인 TE는 0이다).

그림 40. 그림 39에서 설명한 바와 같이, 어떤 조직의 T~1~-과 T~2~-곡선을 연결하면 특정한 TR와 TE로 구성된 펄스 시퀀스에서 얻을 수 있는 신호 강도를 알 수 있다. 이 그림에서처럼 긴 TR을 선택하면 무슨 일이 생길까? TR이 길면, 종단 자화 시간에서 T~1~의 차이가 중요하지 않게 된다. 모든 조직에서 종단 자화가 완료되기 때문이다. 그런 다음, TE가 매우 짧으면 T~2~ 차이가 발생할 시간이 부족하므로 신호 강도의 차이도 드러나지 않는다. 그 결과로 얻게되는 영상은 T~1~-가중이나 T~2~-가중 신호가 아니라, 조직 내 양성자 밀도를 반영한다(양성자 밀도 영상에 이상적인 TE는 0이다).

스핀 에코 시퀀스에서 우리는 처음에 90° 펄스로 종단 자화라 할만한 것들을 기울인다(그 사이에 180° 펄스같은 다른 펄스가 있었는지는 중요하지 않다). 우리가 긴 TR을 선택하면, 방금 말했듯이, T1차이가 중요하지 않게 된다. 또한 우리가 짧은 TE를 사용하면 T2 차이가 생겨날 시간이 충분하지 않아서 신호 강도의 차이도 발생하지 않는다. 우리가 얻게되는 신호는 T1이나 T2에 가중되는 것이 아니라, 주로 양성자나 스핀 밀도의 차이에서 영향을 받게 된다. 단순히 양성자가 많을수록 신호도 많아진다(그림 40).

TR이 길고, TE도 길면?

TR이 길면 T1의 차이가 영향을 발휘하지 못하지만 T2 차이는 두드러진다(그림 41). 그 결과 T2-가중 영상을 얻게 된다.

그림 41. TR과 TE가 모두 길면, T2의 차이가 두드러질만한 시간이 충분하고 T2-가중 영상이 생긴다.

그림 41. TR과 TE가 모두 길면, T~2~의 차이가 두드러질만한 시간이 충분하고 T~2~-가중 영상이 생긴다.

TR과 TE가 모두 짧으면 어떨까?

TR이 짧으면 조직들이 종단 자화를 회복하지 못하므로 (종단 자화의 회복 속도를 결정하는) T1의 차이가 신호 강도의 차이로 드러난다(그림 42). TE가 짧으면, T2 차이가 생기지 않아서, 결과 영상은 여전히 T1-가중 영상이 될 것이다. (180° 펄스가 주입되어 효과를 발휘할 때까지 시간이 좀 필요하기 때문에 TE에는 하한선이 존재한다.)

그림 42. TR이 짧으면, T1의 차이가 조직 대비에 큰 영향을 끼친다. 특히 TE도 짧으면 (T2 차이에 기인한 신호 차이가 발생할 시간이 없으므로) T1-가중 영상을 얻을 수 있다.

그림 42. TR이 짧으면, T~1~의 차이가 조직 대비에 큰 영향을 끼친다. 특히 TE도 짧으면 (T~2~ 차이에 기인한 신호 차이가 발생할 시간이 없으므로) T~1~-가중 영상을 얻을 수 있다.

매우 짧은 TR과 매우 긴 TE를 쓰면 어떻게 될까?

이론적인 질문일 뿐이다. TR이 매우 짧으면, “기울일 수 있는” 종단 자화가 얼마 없을 것이다. TE가 길면, 작은 양의 횡단 자화 조차 대부분 사라질 것이다. 그 결과로 신호는 너무 작고 강도가 약해서, 쓸만한 영상을 얻을 수 없다.


그림 43. T~1~-가중 영상을 얻으려면 어떤 파라미터를 골라야 할까? 그림 43. T1-가중 영상을 얻으려면 어떤 파라미터를 골라야 할까?

지금까지 집중하지 않았다면

지난 몇 분간 아마 여러분은 포기하고 싶은 심정이었을 것이다. 전부 이해하진 못해도 (그러진 않았으면 좋겠지만) 지금까지 배운 것을 기억하려면 어떻게 해야 할까?

그림 43을 보자. 무엇이 보이는가? 짧은 반바지(TRousers)를 입은 남자가 있다. 날씨 조건을 고려할 때, 그림에서 한 명만 행복할 것이다.

TR(ousers)이 짧으면 T1-가중 영상이 생긴다(오직 1명만 행복하다).

그림 44. T~2~-가중 영상을 얻으려면 어떤 파라미터를 골라야 할까? 그림 44. T2-가중 영상을 얻으려면 어떤 파라미터를 골라야 할까?

그림 44에는 무엇이 보이는가? 방금 전에 본 커플이 차를 마시고 있다. 차는 보통 뜨겁기 때문에 마시는 데 시간이 오래 걸린다. 그림에서 알 수 있듯, 천천히 마시는 TE(a)는 두 사람을 행복하게 한다.

TE가 길면 T2-가중 영상이 생긴다.


영상을 해석할 때 필요한 몇 가지 요령들

고속 시퀀스가 아니라(아래에서 설명할 예정임) 보통의 펄스 시퀀스로 영상을 찍었을 때, 어떻게 해야 사진만 보고도 그것이 T1- 또은 T2-가중 영상인지 알 수 있을까? 경험적으로 볼 때, 영상에서 CSF나 오줌같은 액체가 하얗게 보이면 T2-가중 영상이다. 액체가 고체보다 어두워보이면, 그 영상은 T1 혹은 양성자-밀도 영상이다.

그림 45를 보자. (a)에서 CSF는 어둡고 회백질이 백질보다 어두운데(더 회색이다), 이 영상은 전형적인 T1-가중 영상이다.

(b)에서 CSF는 신호 강도가 T1가중 영상에서보다 조금 더 높긴 하지만 여전히 어둡다. 또한 회백질과 백질의 대비가 역전되어 있다. 이 영상은 양성자/스핀 밀도-가중 영상이다. 회백질에 물 성분이 더 많기 때문에 즉, 양성자가 더 많아서 백질보다 신호 강도가 더 높다.

(C)에서 CSF는 회백질과 백질보다 신호 강도가 더 높다. T2-가중 영상이다.

그림 45. 동일한 환자의 T1-가중(a), 양성자/스핀 밀도-가중(b), T2-가중 영상이다(c). CSF가 T1-가중 영상에서는 검지만, T2-가중 영상에서는 더 강한 신호를 가진다. 스핀-밀도 영상에서 CSF의 신호 강도는 중간 수준이다.

그림 45. 동일한 환자의 T~1~-가중(a), 양성자/스핀 밀도-가중(b), T~2~-가중 영상이다(c). CSF가 T~1~-가중 영상에서는 검지만, T~2~-가중 영상에서는 더 강한 신호를 가진다. 스핀-밀도 영상에서 CSF의 신호 강도는 중간 수준이다.

대략적으로는 그렇지만, 실제로 확실히 알려면 촬영 파라미터가 다른 두 영상을 들여다 봐야 한다. 왜 그럴까?

그림 46을 보자. T2-곡선들이 다른 “높이”에서 시작하여 서로 교차하는 것을 사례에서 볼 수 있다. (곡선들이 반드시 평행할 필요가 없다는 점을 처음부터 알고있는 것이 좋다. 평행한 경우도 있고 쉽게 설명하기 위해 평행하게 그리는 경우도 있지만 말이다.) 곡선이 교차한다는 사실이 매우 중요하다.

그림 46.서로 다른 조직의 T2-곡선들이 교차할 수 있다. 교차점(TEC)보다 큰 TE를 고르면, 조직의 신호 강도가 역전된다. 교차점까지는(즉, TE1) 조직 A의 신호 강도가 조직 B보다 더 높다. 영상 대비가 여전히 T1차이에 의해 결정된다는 뜻이다. 즉, T1이 짧은 조직 A의 신호 강도가 더 강하다. TEC에서 두 조직은 똑같은 신호 강도를 가지기 때문에 구별되지 않는다. 교차점을 지나면(TE2) 상대적인 신호 강도가 역전되어 조직 B가 더 강한 신호를 가지게 된다.

그림 46.서로 다른 조직의 T~2~-곡선들이 교차할 수 있다. 교차점(TE~C~)보다 큰 TE를 고르면, 조직의 신호 강도가 역전된다. 교차점까지는(즉, TE~1~) 조직 A의 신호 강도가 조직 B보다 더 높다. 영상 대비가 여전히 T~1~차이에 의해 결정된다는 뜻이다. 즉, T~1~이 짧은 조직 A의 신호 강도가 더 강하다. TE~C~에서 두 조직은 똑같은 신호 강도를 가지기 때문에 구별되지 않는다. 교차점을 지나면(TE~2~) 상대적인 신호 강도가 역전되어 조직 B가 더 강한 신호를 가지게 된다.

지금까지 T1, T2, 양성자 밀도, 펄스 시퀀스, TR 그리고 TE까지 MR 영상에 영향을 주는 파라미터들에 관해 배웠다. 그러나 더 있다. 흐름(flow; 혹은 유동)과 조영제(contrast media)에 관해 살펴보자.


흐름(Flow)은 어떻게 신호에 영향을 끼칠까?

흐름이 MR 신호에 영향을 준다는 사실은 오래 전부터 알려져 있었다. 30년 전에 이 주제에 관한 첫 실험이 수행되었다1 역주: 이 책이 1990년에 출간되었다는 점을 참고하기 바랍니다.. 흥미롭게도 위성 로켓에서 연료 파이프 안에 연료가 제대로 흐르는지 측정하기 위해 이 현상이 이용되었다. 방해물(측정장치)을 파이프 속에 넣을 필요가 없다는 장점이 있었다.

흐름이라는 주제는 복잡하고 어렵다. 그러나 적어도 약간은 이해할 수 있다. 그림 47에서 우리는 혈관이 교차하는 신체 단면을 볼 수 있다. 90° 펄스를 주입하면, 단면에 있는 모든 양성자들이 무선 전파(radio wave)의 영향을 받는다. 우리는 RF 펄스를 끈 후, 단면에 “귀를 기울여” 신호를 기록한다. 이때, 혈관에 원래 있던 모든 혈액은 검사 단면을 떠났을 것이다. 따라서 혈관에서는 아무런 신호가 나오지 않는다. 영상에 검게 보이는 것이다. 이를 흐름 소실(flow-void) 현상이라고 한다.

그림 47. 흐름 때문에 혈관의 신호가 소실되고(signal void) 흐르는 피가 검게 보인다.

그림 47. 흐름 때문에 혈관의 신호가 소실되고(signal void) 흐르는 피가 검게 보인다.

흐름의 영향은 이것만이 아니라 무척 다양하다. 흐름-관련 강화(flow-related enhancement)를 예로 들 수 있다.

그림 48을 보자. 혈관이 검사 단면을 통과하는데, (a)는 90° 펄스 전이고 (b)는 펄스 직후다. 우리가 두 번째 90° 펄스를 주입하기 전에 잠시 기다리는 동안, (c)에서처럼 양상자들이 약간 이완되어, 위를 가리키는 화살표들이 나타내듯이 종단 자화가 조금 생긴다. 그러나 혈관 속 양성자들은 이미 단면을 떠났고 완전한 종단 자화가 일어난 양성자들로 교체되어 있다. 이제 우리가 두 번째 90° 펄스를 가하면, 혈관에서 나오는 신호가 주변보다 더 많을 것이다. 이 시점에서 종단 자화가 더 크기 때문이다.

그림 48. 흐름은 신호 강도에 영향을 끼치고, 지문에 자세히 설명되어 있는 흐름-관련 강화를 유발할 수 있다.

그림 48. 흐름은 신호 강도에 영향을 끼치고, 지문에 자세히 설명되어 있는 흐름-관련 강화를 유발할 수 있다.

신호 강도와 흐름 효과에 관한 주제는 훨씬 더 복잡하다. 예를 들어, 단면을 여러 장 찍을 때 즉, 한 장 이상의 단면을 동시에 촬영할 때(85쪽을 보라) 신호는 흐르는 방향의 영향을 받는다. 거기에 더해, 그 영향은 흐름 양상(flow profile), 그리고 층류(laminar)인지 난기류(turblent)인지에 따라 혈관의 교차 단면마다 다르게 작용한다. 여러분이 이 주제에 관해 잘 알고 싶으면 상세한 교재를 참고해야 한다.

교재에서 MRI 혈관조영술(angiography)에 관한 정보를 얻을 수 있다. 이 기법은 흐름이 MRI 신호에 영향을 끼친다는 사실을 유익하게 활용하여, 이동하는 양성자들을 시각화한다.


이제 MR 조영제에 대해 알아보자

소위 상자성(paramagnetic)2 역주: 자장 속에 놓으면 자장과 같은 방향으로 자력을 띄는 성질(출처: 네이버 지식백과) 물질들은 작은 국소 자장을 가지고 있어서 주변 양성자들의 이완 시간을 단축시킨다. 이 효과를 양성자 이완 강화(proton relaxation enhancement)라고 한다. 정상적인 상태에서 신체 안에는 상자성 물질들이 있다. 헤모글로빈이 변형되어 생긴 산물들인 데옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin)3 역주: 옥시헤모글로빈에서 산소가 유리된 상태과 혈종(hematomas)에서 발견되는 메트헤모글로빈(methemoglobin)4 역주: 헤모글로빈과 산소가 너무 강하게 결합된 상태, 그리고 분자 산소(molecular oxygen)가 그 사례들이다.

그림 49. 가돌리늄(Gadolinium)같은 상자성(paramagnetic) 물질은 주변의 T1과 T2를 단축시켜서 T1과 T2곡선을 각각 왼쪽으로 이동시킨다. 결과적으로, 특정 TR에서 신호를 증가시키고 특정 TE에서 신호를 약화시킨다.

그림 49. 가돌리늄(Gadolinium)같은 상자성(paramagnetic) 물질은 주변의 T~1~과 T~2~를 단축시켜서 T~1~과 T~2~곡선을 각각 왼쪽으로 이동시킨다. 결과적으로, 특정 TR에서 신호를 증가시키고 특정 TE에서 신호를 약화시킨다.

가돌리늄(gadolinium)은 상자성 물질로서 MR 조영제로 사용된다(Magnevist®). 화학적으로 이 물질은 희토류에 속한다. 가돌리늄은 자유상태에서 독성을 띄지만, DTPA에 결합시켜서 독성 문제를 해결한다(중금속제거요법, chelation)5 역주: 킬레이트는 게의 집게발을 의미하는 그리스어에서 유래되었고, 고리 구조로 다른 양이온과 결합하여 체내 흡수와 배출을 촉진합니다. DTPA는 펜테틴산(Diethylenetriamine pentaacetic acid)으로서 대표적인 합성 킬레이트제입니다..

조영제는 조직의 T1과 T2를 단축시켜서 신호 강도를 변화시킨다(그림 49).

그림 50에는 A와 B 두 조직의 사례가 나온다. 혈관에 투여된 가돌리늄이 조직 A의 T1-곡선을 왼쪽으로 옮긴다. 그 결과로 시간 TR에서 조직 A의 신호가 전보다 더 강해지고, 대비가 커졌으므로 두 조직이 더 잘 구별된다.

T2-가중 영상에서는 조영제를 투여한 후 조직 A의 신호가 감소한다. 조영제가 T2를 줄여서 T2-곡선이 왼쪽으로 옮겨지기 때문이다.

종종 신호 강화보다 신호 소실을 파악하기가 어렵기 때문에, 조영제를 투여한 후에는 주로 T1-가중 영상을 촬영한다.

그림 50. (a)에서는 조직 A와 B의 T1-곡선이 서로 너무 가까와서 TR 시점에 조직간 신호 강도의 차이가 작다. (b)에서는 조영제가 조직 A에만 주입되면서 조직 A의 T1-곡선이 왼쪽으로 옮겨간다. 이전과 똑같은 TR이지만, 이제 신호 강도 차이 즉, 조직 대비가 훨씬 더 커진다.

그림 50. (a)에서는 조직 A와 B의 T~1~-곡선이 서로 너무 가까와서 TR 시점에 조직간 신호 강도의 차이가 작다. (b)에서는 조영제가 조직 A에만 주입되면서 조직 A의 T~1~-곡선이 왼쪽으로 옮겨간다. 이전과 똑같은 TR이지만, 이제 신호 강도 차이 즉, 조직 대비가 훨씬 더 커진다.

물질이 몸 안에 고르게 분포하지 않기 때문에, 다른 조직의 신호는 다른 영향을 받는다. 혈관 종양(vascularized tumor) 조직은 신호가 강화되는 사례이다. 가돌리늄은 온전한 혈뇌장벽(blood-brain-barrier)은 통과할 수 없지만 손상된 혈뇌장벽은 통과한다는 점도 중요하다.

조영제 사용이 MRI의 손상부위 탐지와 진단 정확도를 높인다는 점이 증명되어 왔다. 예를 들어, 종양 조직과 주변 부종(edema)을 구분하는 데 도움이 될 수 있다. 다른 방식으로는 이 둘을 구분하기가 어렵다. 가돌리늄이 종양 조직에 들어가면 T1을 단축시키기 때문에, 종양이 T1-가중 영상에서 더 밝게 보인다. 그러나, 주변 부종은 거의 영향을 받지 않는다. 가돌리늄이 T1을 앞당기므로 우리는 검사할 때 더 짧은 TR을 쓸 수 있다(72쪽을 볼 것). 나중에 알게 되겠지만, 촬영 시간은 TR에 달려있기 때문에 TR을 줄여서 촬영 시간을 절약할 수 있다.

가돌리늄-DTPA의 약제적 특성은 기존의 방사선 조영제와 비슷하다. 그러나 가돌리늄-DTPA의 부작용이 훨씬 덜 한 것 같다(even better tolerated).

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